Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ геоэкологической устойчивости вторичных природных ландшафтов рекреационных территорий Московского региона. Современное состояние учета влияния биотической составляю щей геокомпозиционных систем на развитие эрозионнно- склоновых процессов 12
1.1. Оценка состояния почв, земельных ресурсов вторичных природных ландшафтов рекреационных территорий Московского региона 12
1.2. Эрозионный процесс и факторы, влияющие на его развитие на склонах рекреационных территорий 20
1.3. Методы определения скорости плоскостного смыва 27
1.4. Анализ методов защиты склонов и откосов рекреационных территорий от развития эрозии 28
1.5. Учет особенностей биотической составляющей в процессах устройства и эксплуатации биотической составляющей геокомпозиционных систем 30
Постановка цели и задач исследования 34
Глава 2. Разработка методик определения скорости плоскостного смыва и проведения мониторинга растительного покрова на склонах рекреационных территорий 36
2.1. Методика определения скорости плоскостной эрозии 36
2.2. Мониторинг растительного покрова как метод исследования влияния биотической составляющей на развитие эрозионно-склоновых процессов 39
2.3. Методика и программа мониторинга растительного покрова 42
Выводы по главе 2 54
Глава 3. Влияние природно-технических условий склона на почвозащитные свойства растительного покрова и развитие эрозионно-склоновых процессов 55
3.1. Природно-технические условия склонов парка «Нескучный сад» 55
3.2. Скорость плоскостной эрозии на склонах парка «Нескучный сад» 63
3.3 Природно-технические условия склонов музея-заповедника «Коломенское» и горнолыжного курорта «Сорочаны» 67
3.4. Анализ результатов натурных наблюдений на склонах музея-заповедника «Коломенское» и горнолыжного курорта «Сорочаны» 91
Выводы по главе 3 102
Глава 4. Подбор эффективных видовых составов многоярусных растительных сообществ для укрепления склонов рекреационных территорий Московского региона в зависимости от природно-технических условий склонов 103
4.1. Целесообразность устройства многоярусных фитоценозов на склонах рекреационных территорий 103
4.2. Требования к видовому составу растительного сообщества как биотической составляющей геокомпозиционных систем 104
4.3. Подбор эффективных видовых составов растительных сообществ 104
4.4. Достоверность результатов исследований 111
Выводы по главе 4 115
Основные выводы и рекомендации 115
Список использованной литературы
- Эрозионный процесс и факторы, влияющие на его развитие на склонах рекреационных территорий
- Учет особенностей биотической составляющей в процессах устройства и эксплуатации биотической составляющей геокомпозиционных систем
- Методика и программа мониторинга растительного покрова
- Природно-технические условия склонов музея-заповедника «Коломенское» и горнолыжного курорта «Сорочаны»
Эрозионный процесс и факторы, влияющие на его развитие на склонах рекреационных территорий
Для анализа геокологического состояния сложившихся ландшафтов необходимо заметить, что в целом ландшафт можно рассматривать как природное географическое образование: [96] совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных предметов и явлений природы, исторически развивающихся во времени и образующих физико-географический комплекс; [96] природный комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир) находятся в сложном взаимодействии, образуя однородную по условиям развития единую систему; [96] конкретная территория, однородная по своему генезису и истории развития, которая не может быть разделена по каким-либо признакам на более дробные части (зоны), обладающая единообразным геологическим строением, однотипной формой рельефа, общностью климата, единообразным сочетанием водных и температурных параметров, почв, биоценозов и, следовательно, однохарактерным набором фаций, урочищ и т. п. [96]
В настоящее время большинство природных ландшафтов Московского региона являются вторичными. Зачастую преобразования, произведенные человеком, настолько велики, что изменена связь природных компонентов. Межкомпонентные связи в ландшафте не являются абсолютно жесткими и носят вероятностный характер. Они обладают некоторой степенью свободы, благодаря чему ландшафт может более или менее пластично реагировать на возмущения внешней среды. До определенных пороговых нагрузок он способен оставаться относительно устойчивым. [96] Московская область расположена в центральной части Восточно-Европейской (Русской) равнины на перекрестье меридиана 38 в.д. с параллелью 56 с.ш. Вместе с Москвой область образует ядро Центрального федерального округа, которое граничит с семью областями: на севере с Тверской и Ярославской, на востоке - с Владимирской и Рязанской, на юге - с Тульской и Калужской, на западе - со Смоленской. [83]
Большая часть региона (северная и центральная) расположена в лесной зоне и лишь крайний юг - в лесостепной. [83] Климат столичного региона характеризуется как умеренно-континентальный с умеренно-холодной зимой с устойчивым снежным покровом и влажным, теплым летом и большой изменчивостью погодных условий от года к году. Континентальность климата возрастает с запада на восток. [106]
Основные черты современного рельефа Московского региона закладывались еще на рубеже палеозоя и мезозоя. Литогенная же основа территории формировалась на разных этапах четвертичного периода, в ходе которого происходило преобразование ландшафтов в результате ледниковой эрозионной и аккумулятивной деятельности. Экзогенные процессы более позднего времени также внесли вклад в облик современного рельефа региона. [17]
Важнейшим компонентом ландшафтов является почва. Экологические основы качества жизни на урбанизированных территориях в значительной мере обусловлены состоянием почвенного покрова, его относительной долей от площади города и параметрами функционирования составляющих его компонентов. [31] Почва теснейшим образом связана с гидросферой и атмосферой. В частности, с гидросферой ее связывает вынос почвенных и грунтовых (подпочвенных) вод в водоемы. Выносимые с водой химические соединения из почв во многом влияют на биопродуктивность водоемов. Почва зачастую играет роль фильтра от проникновения в поверхностные воды значительного числа загрязнителей. [96]
Непосредственную связь почва имеет с литосферой. Почва служит источником для образования минералов, горных пород, полезных ископаемых, а также способствует переносу аккумулированной солнечной энергии в подстилающие более глубокие слои земной коры. [96]
Почва образуется и развивается в результате сложнейшего взаимодействия растительности, животных, микроорганизмов и элювированных (выветрелых) горных пород. [96] Являясь по своей сути уникальной биокосной природной системой, почва до определенного порога антропогенного пресса сохраняет способность к выполнению своих основных экологических функций: продуктивности, пригодности для произрастания зеленых насаждений, аккумуляции загрязняющих веществ в толще и удержания их от проникновения в почвенно-грунтовые воды. [31] Почвы - не только важнейший компонент ландшафтов и природы в целом, но также важнейшее средство производства, основа социально-экономического развития человечества. [83]
Деградация почв обычно происходит при комбинированном воздействии природных и антропогенных факторов, антропогенное влияние при этом способствует резкой активизации природных воздействий. [30] По определению Герасимовой: «Деградация почв - изменение в функционировании почвенной системы, и/или в составе и строении твердой фазы, и/или регуляторной функции почв, имеющее результатом отклонение от экологической нормы и ухудшение параметров, важных для функционирования биоты и человека». [89]. Как правило, процессы деградации почвы происходят по трем направлениям:
Физическая деградация - ухудшение физических и водно-физических свойств почвы, нарушение почвенного профиля. [29]
Химическая деградация - ухудшение химических свойств почв: истощение запасов питательных элементов, вторичное засоление и осолонцевание, загрязнение токсикантами. [29]
Биологическая деградация - сокращение численности видового разнообразия и оптимального соотношения различных видов микроорганизмов, загрязнение почвы патогенными микроорганизмами, ухудшение санитарно-эпидемиологических показателей. [29]
Учет особенностей биотической составляющей в процессах устройства и эксплуатации биотической составляющей геокомпозиционных систем
Важнейшими факторами, которые в той или иной степени определяют развитие плоскостного смыва, являются: климат, рельеф, геологическое строение, почвы, растительность и антропогенная деятельность. Прямое воздействие оказывают осадки, их интенсивность и продолжительность. Рельеф влияет на плоскостной смыв через крутизну, длину, форму и экспозицию склонов (откосов). [42] По крутизне склоны делят на: очень крутые ( 35), крутые (а = 15-35), склоны средней крутизны (а = 8-15), пологие (а = 4-8), очень пологие (а = 2-4). [108]
Геологический фактор в развитии плоскостного смыва определяется физико-механическими свойствами почв и грунтов (механический состав, удельное сцепление, водопроницаемость и др.). По этим свойствам грунты подразделяют на легко-, средне- и трудноразмываемые. К легкоразмываемым относят лессы, лессовидные суглинки и супеси, пески и др. К среднеразмываемым - плотные глины. Известняки, песчаники и прочие скальные и полускальные породы относят к трудноразмываемым [128, 42].
Почвы оказывают прямое воздействие на скорость смыва через водопроницаемость и противоэрозионную устойчивость, косвенное - через уровень плодородия, определяющий развитие почвозащитных растений [42].
Высокие почвозащитных способности растительности отмечены в работах Ц.Е. Мирцхулавы, А.Н. Каштанова, В.И. Кирюшина, Г.И. Швебса, ЮГ. Жарковой, М.В. Долгановой, Н.Н. Азаркиной [75, 46, 47, 121, 33, 3]. Растительный покров, содержащий виды растений с мочковатой корневой системой, повышают агрегированность почвы и, как следствие, ее противоэрозионную стойкость. Корни этих растений связывают отдельные агрегаты между собой и уменьшают скорость потока у поверхности почвы. Кроме того, корни и растительные остатки, поступая в почву, обогащают её органическими веществами, что способствует повышению коллоидного сцепления и способствуют противоэрозионной стойкости почвы. [128] Основной почвозащитный эффект оказывают наземные части растений. Они рассеивают кинетическую энергию дождевых капель, предотвращая разрушение структуры поверхностного слоя почвы и образование слабоводопроницаемой корки. Эффективность защиты почвы от ударов дождевых капель определяется проективным покрытием растительности. Почвозащитные свойства тех или иных культур повышаются в периоды наибольшего проективного покрытия, которое, как правило, приурочено к летним месяцам. Известно, что при проективном покрытии 90-100% поверхностный сток и смыв обычно отсутствует. [128, 75]
В рамках данной работы важным является рассмотрение влияние экологических факторов на развитие растительного покрова. По характеру воздействия экологические факторы подразделяют на прямодействующие (непосредственно влияющие на обмен веществ, развитие) и косвеннодействующие (влияющие на организм через изменение других факторов). Зачастую факторы могут оказывать и прямое и коссвенное действие. [27, 111] Такие факторы как свет, вода, воздух, элементы минерального питания, ветер являются прямодействующими. Климат, рельеф, почва представляют собой комплексные группы факторов. Для растений и растительных сообществ безразлично, обусловлен ли тепловой режим местообитания климатом, рельефом, или почвой. Водный режим может быть обусловлен климатом (выпадает большое количество осадков), рельефом (местоположение расположено на дне балки или на межгривной низине в пойме реки) и эдафи-чески- высоким уровнем грунтовых вод. Климатические факторы играют доминирующую роль уже потому, что они оказывают глубокое влияние на все остальные факторы. [16]
Кроме абиотических факторов среды большое значение имеют биотические факторы: фитогенные- влияние растений друг на друга (механический контакт, симбиоз, паразитизм), и косвенные- создание особой среды (фитосреды) обитания для растений. [16] Так, под пологом леса меняется температура, освещенность, влажность.
Свет, безусловно, является одним из важнейших абиотических факторов. Недостаток света может привести к голоданию и гибели растения, а избыточная освещенность нередко оказывается причиной солнечного ожога. Физиологическое воздействие света на растения проявляется прямо (через фотосинтез) и влияет косвенно на рост и развитие. [27, 111] Среди факторов, влияющих на количе
ство и качество поступающей на земную поверхность солнечной радиации, можно назвать географическую широту местности, состояние атмосферы (прозрачность или замутненность), особенности рельефа местности. При падении лучей на наклонную поверхность приход энергии уменьшается в зависимости от угла падения; в распределении солнечной радиации имеют значение крутизна и экспозиция склона. [47] Для травянистых сообществ, растущих под пологом леса, помимо перечисленных выше факторов, значение приобретают сомкнутость крон, густота всего полога, особенности габитуса (внешний вид), возраста, высоты лесообразу-ющей породы и т.д. [27] Для растительного покрова важна сумма радиации за вегетационный период и годовая сумма, которые определяются интенсивностью радиации и продолжительностью светового дня (фотопериодизмом). Каждому растению свойственна определенная амплитуда световой напряженности. Выделяют три экологические группы растений по отношению к свету: гелиофиты, теневыносливые и теневые. [111]
В условиях повышенных техногенных и рекреационных нагрузок Московского региона на формирование растительного покрова существенно влияют агрохимические условия почв, эксплуатационный режим территории. Агрохимические свойства почв
Содержание и запасы органического вещества в почвах традиционно служат основными критериями оценки почвенного плодородия. Органическое вещество почв в большой мере определяет пищевой режим почв, их физические и физико-химические свойства, в особенности поглотительную способность, буферность, структурное состояние, влагоемкость и др. Различают растения: распространенные преимущественно на плодородных почвах — эутрофные или эвтрофные; довольствующиеся небольшим количеством питательных веществ — олиготрофные. Между ними выделяют промежуточную группу мезотрофных видов. [111]
Методика и программа мониторинга растительного покрова
Ботаническая характеристика территории Современная растительность Коломенского претерпела значительные изменения ещё в отдалённом прошлом: леса-хвойные, широколиственные, смешанные вырубались, луга превращались в пастбища, огороды, пустыри. В то же время основу фитоценозов пока продолжают составлять растения местной флоры. [61] Многолетние исследования 1992-2008 гг. позволили выявить 542 вида из 316 родов и 92 семейства высших растений. [60] Из них 48 видов-редкие и с сокращающимися ареалами, а 37-включены в издание «Красная книга города Москвы». [59,50]
Для общей характеристики травяного покрова Коломенского можно сказать, что наиболее многочисленными являются представители семейств астровые, розоцветные, злаковые, капустные, бобовые, включающие преимущественно аборигенные виды, в том числе редкие и сокращающие свой ареал. Довольно значительную группу составляют адвентивные (заносные) растения, которые являются типичными компонентами рудеральных и других нарушенных ценозов. [63] Весной на территории почти повсеместно встречаются ранние эфемероиды, типичные для широколиственных лесов средней России: ветреница лютичная, лютик кашубский, чистяк лютичный, гусиные луки жёлтый и малый и др. [63]
На территории находятся хорошо сохранившиеся, хотя и подвергшиеся изменениям, лесные, луговые, прибрежно-болотные и водные фитоценозы. В рамках диссертации наибольший интерес представляют растения луговых и лесных фитоцеозов. [60]
Луга представлены двумя основными типами- суходольными (материковыми) и пойменными. [60] Суходольные луга широко представлены на крутых склонах Дьяковского городища, Дьяковского и Колотушкина оврагов. Южные склоны этих территорий задернованы выносливыми к выжигаю солнцем степными травами. Из характерных видов произрастают осока ранняя, несколько видов дикого лука, земляника зелёная, клевер горный, зверобой продырявленный, короставник луговой, гвоздика Фишера, колокольчик рапунцелевидный, пупавка красильная (жёлтая "ромашка"), козлобородник и синеголовник плосколистный. [49] На склоне к реке Москве большей частью расположены луговые сообщества с обилием гвоздики Фишера, земляники зеленоватой, осоки ранней, синеголовника плоского, подмаренника настоящего, люцерны серповидной, колокольчиков ра-пунцелевидного и болонского, ястребинки зонтичной, костра безостого.
Лесная растительность на территории Коломенского представлена перелесками в Голосовом овраге и участками по склону к р. Москве ниже этого оврага. Сейчас здесь имеются небольшой по площади липняк снытевый с клёном остролистным, ясенем обыкновенным, дубом обыкновенным и вязом гладким; кленар-ник хвощовый с вязом и липой; маленький ивняк по Коломенскому ручью, а также небольшие черноольшаники (в местах выхода юрских глин и грунтовых вод), фрагменты березняков и сероольшаников. [49] Из лесных кустарников Коломенского можно увидеть бересклет бородавчатый, малину, лещину обыкновенную, калину обыкновенную, бузину кистевидную и др. Из лесных трав отмечены, в частности, осока волосистая, зеленчук жёлтый, луговой чай, кислица, ветреница лютиковая, земляника обыкновенная и земляника мускусная, петров крест, сныть, копытень, лесные папоротники, а также краснокнижные виды: колокольчики и хохлатка плотная [49]
Также в Коломенском произрастает большое число видов сорных и в особенности рудеральных трав, характерные для городских территорий. Среди них можно отметить такие виды как мать-и-мачеха, одуванчик, пижма, марь белая, лебеда раскидистая, несколько видов полыни, бодяк полевой, вейник наземный. Некоторые из подобных растений хорошо выносят вытаптывание. Таковы, например, лапчатка гусиная (гусиная лапка), подорожник большой, горец птичий, мятлик однолетний. [49]
Безусловно, растительный покров Коломенского испытывает мощное антропогенное воздействие, вследствие которого почти во всех сообществах наблюдается сокращение популяций не только нуждающихся в охране видов, но и самых обычных, особенно представителей лугового разнотравья, страдающих от вытаптывания, а также лекарственных растений, например, буквицы лекарственной, зверобоя продырявленного, герани луговой и лесной, короставника лугового и др. [62] Только в условиях заповедного режима возможно сохранение ценных природных объектов, в частности, аборигенных растительных сообществ, имеющихся на данной территории. Маршрутные исследования В результате маршрутных исследований территории было выбрано 9 пробных площадок (склонов). Маршруты исследований и выбранные склоны обозначены на рис. 3.14.
Природно-технические условия склонов музея-заповедника «Коломенское» и горнолыжного курорта «Сорочаны»
Применение данных фитоценозов соответствует приоретному направлению новой экологической политики: восстановлению нарушенных экосистем, сохранению местных видов растений. А бережный уход за биотической составляющей на склонах будет способствовать устойчивому функционированию противоэрозионных систем, что обеспечит гомеостаз крутых склонов рекреационных территорий.
Результаты исследования показали, что содержание биотической составляющей склонов должно быть направлено на снижение частоты скашивания до экологически целесообразной и проводиться не чаще 1 раза в год (30-50% участка). В связи с тем, что данный режим будет основан на использовании функций саморегуляции растительного сообщества, пропадает необходимость или снижается частота проведения некоторых других операций (внесение удобрений, рыхление и т.д.). Ежегодные затраты по уходу для лугового газона составляют (в расчёте на 100 кв. м) 4,51 человеко-часа и 1,85 машино-часа, а для предлагаемого режима- 1.4 человеко-часа и 0,5 машино-часа. Таким образом, подобное содержание растительного покрова может оказаться дешевле содержания лугового газона по действующим нормам как минимум в 3 раза.
Для оценки интенсивности эрозионного процесса в условиях нарушенного травяного покрова на каждом выбранном склоне Нескучного сада и Коломенского проведено 3 вида измерений: определен уклон (в 6-7 точках), измерены диаметры деревьев (10-19 деревьев) и глубина плоскостного смыва справа и слева от каждого дерева. Таким образом, выполнено порядка 250 измерений.
Двукратное измерение превышения повышает точность фиксации случайной величины и является допустимой кратностью выполнения измерений в полевых условиях [34]
Проведенное количество измерений на каждом склоне (по 10-19 деревьям) обеспечивает доверительную вероятность 0,8. Обработка результатов эксперимента производилась с помощью пакета программ Microsoft Office 2007. Для всех склонов построены графики зависимости глубины плоскостного смыва от диаметра деревьев на склонах Нескучного сада и Коломенского (рис. 4.1, 4.2, 4.3). Коэффициенты корреляции для построенных зависимостей варьируются от 0.81 до 0.95.
В ходе обработки результатов эксперимента, проведенного на склонах Нескучного сада, выявлена статистическая зависимость скорости плоскостной эрозии от угла склона. Коэффициент корреляции полученной зависимости составляет К=0,94.
Достаточно высокие коэффициенты корреляции зависимостей параметров, измеренных на склонах парка Нескучный сад и Коломенского, подтверждают допустимость использования данной методики в целях приближенного вычисления интенсивности плоскостного смыва.
Достоверность исследования сукцессии на склонах Коломенского и Сорочан обуславливается точностью метода мониторинга растительного покрова, который предусматривает непрерывное многолетнее (в диссертации в течение 21 года) наблюдение за изменением фитоценоза на постоянных пробных площадях.
1. Обязательные требования к видовому составу и структуре растительного сообщества для применения в качестве биотической составляющей геокомпозиционной системы: содержание растений из разных функциональных групп, характерных для средней полосы России, приближенность к составу и структуре сообществ, формирующихся естественно в сходных природно-технических условиях, доминирование видов растений с длинными поверхностными корневищами или мочковатой корневой системой, развитой надземной частью и обладающих хорошей приживаемостью;
2. Подобраны эффективные видовые составы многоярусных растительных сообществ для укрепления склонов рекреационных территорий для условий различной освещённости при разной экспозиции и крутизне склонов;
3. Предлагаемый эксплуатационный режим (содержанию) крутых склонов и откосов рекреационных территорий позволяет сократить стоимость проведения эксплуатационных работ как минимум в 3 раза;
4. Обязательные требования к видовому составу и структуре растительных со обществ и предложения по эксплуатационному режиму склонов и откосов могут быть использованы для разработки стандарта устройства и эксплуатации биоти ческой составляющей геокомпозиционных систем на крутых склонах и откосах рекреационных территорий Московского региона.
Похожие диссертации на Влияние биотической составляющей геокомпозиционных систем на развитие эрозионных процессов на крутых склонах и откосах рекреационных территорий
